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智能治疗:外科手术中的“达芬奇”
来源:未知作者:AI012018-10-16 09:59:17

在智能诊断的基础上,人工智能也正在被应用于治疗领域,其中最重要的应用形式便是手术机器人。实际上,在这一次人工智能浪潮兴起之前,手术机器人已经有大约30年的研发和应用的历史,但相应的成本一直比较高昂。而随着人工智能技术的兴起,手术机器人也面临着新的发展,可以预期的是,其成本也会随着技术的普及而逐渐降低,从而可以造福更多的人。目前,手术机器人已经能够很好地协助医生实施手术,尤其在微创外科领域,可以发挥十分有效和准确的作用。手术机器人可以分为两个层级:一是医生控制的机器人;二是全自动的机器人。到目前为止,由医生控制的手术机器人系统发展得较为成熟,其中一些具有代表性且相互竞争的系统,可以体现出一定的发展脉络。

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第一,达芬奇手术机器人。目前,达芬奇手术机器人系统(Da Vinci Robot-assisted Surgical System)是全球应用最广泛且最为成功的手术机器人,它能够应用于普外科、泌尿科、胸外科、心血管外科、小儿外科、妇科等领域。达芬奇机器人集成了三维高清视野、可转腕手术器械和直觉式动作控制三大特性,从而能够在外科手术中更广泛地应用微创技术。该系统由位于手术室内的手术台和手术室外的远程控制终端两部分构成。系统内的手术台是一个拥有3个机器手臂的机器人,负责对手术台上的病人实施具体手术。

这些机器手臂的灵活性要远高于人类,且手臂上的微型摄像机可以进入人体内部。同时,机器手臂还可以完成某些人类医师难以完成的高难度手术。在远程的终端设备上,计算机可以通过几台摄像机拍摄的二维图像最终还原为高清的三维图像,从而让医生可以监督或者干预手术的过程。在技术层面上,随着人工智能技术的不断应用,其他实力雄厚的新兴手术机器人正不断挑战着“达芬奇”的地位。

第二,Verb微创手术机器人。Verb Surgical公司由谷歌母公司Alphabet和强生(Johnson & Johnson)联合建立,其在微创手术机器人领域的主打产品便是Verb。Verb微创手术机器人在体积、功能、使用安全和价格方面比达芬奇手术机器人更具优势。该智能化手术机器人不仅在体积上更精致小巧,在功能上也更具多样性和延展性。它摒弃了远程实施手术的想法,允许操作手术的医生更靠近手术台。与现有的手术机器人相比,未来的新型手术机器人将更多地运用人工智能、深度学习和大数据的相关技术,从而使得相应的研发原理和操作流程发生根本的改变。

第三,MAKO机械臂手术辅助系统。2013年,美国整形设备制造商Stryker收购了外科治疗公司MAKO,后者最为关键的技术就是MAKO机械臂手术辅助系统。该系统主要应用于膝关节单髁置换术和全膝关节成形术,可以进行实时手术。在切开手术部位的组织之前,该系统允许进行更多的膝关节软组织平衡的修正,还可以为手术置入物的定位、腿的长度以及偏移情况提供精确的数据,更可以单独为髋关节手术平台提供扩展应用。

第四,SPORTSurgical机器人手术系统。该系统是位于加拿大多伦多的泰坦医疗公司(Titan Medical)开发的项目,其价格远远低于达芬奇手术机器人。SPORT系统将手术台、单切口摄像头、置和多关节器材结合,并旨在将机器人手术精细化。手术医生借助该系统,仅通过一个切口即可进行微创手术。目前,泰坦医疗公司主要聚焦普通外科(胆囊、阑尾切除术),妇科(子宫切除良性肿瘤)和泌尿科三种手术类型。值得一提的是,2017年8月,泰坦公司宣布,已经完成与中国龙泰医疗有限公司的交易,这使得龙泰医疗成为泰坦公司的最大股东。

当然,由医生控制的手术机器人远远不止这四种,国内外的许多医疗公司和科研机构都在不断开发新型的手术机器人系统,并且正逐步将其投入市场。但是,这种手术机器人仍然需要医生的控制,因此严格来说并不是完全意义上的机器人。相比之下,全自动的手术机器人在技术上更进一步,也更能体现智能化的前沿水平。目前,全自动的手术机器人依然处于实验室阶段,但已显示出巨大的发展潜力。

位于华盛顿的美国国家儿童健康系统(Children's National Health System)的研究团队正致力于开发能够取代医生双手的自主手术机器人,他们认为这样能够提高手术的效率和安全性。2016年5月,该团队在著名期刊《科学转化医学》(Science Translational Medicine)上公布了他们的研究成果——STAR(Smart Tissue Autonomous Robot),即智能组织自主手术机器人。这是全球第一台可以处理软组织的自主手术机器人。

自主手术机器人研究进展乏力有两个重要的技术原因:一是缺少区分和监测目标组织器官的可视化系统,二是缺少能够执行复杂手术任务的智能算法。但是,STAR内部全新架构的成像系统与智能算法,使其不仅可以制定手术方案,还可以根据成像系统传回的信息,判断组织的变化,进而对手术方案作出调整。为了检验效果,研究团队选择了复杂性比较高的肠吻合手术,让STAR与熟练的外科医生、达芬奇机器人三者做了实验比较。

从研究论文中的结果来看,无论是在离体还是在活体的吻合术中,STAR都要明显优于熟练的外科医生和达芬奇手术系统。目前,STAR自主手术机器人正在逐步向临床阶段迈进。由此,手术机器人的“辅助”或“助手”的地位将会得到根本改变,智能机器有望真正接手外科医生的工作,为人类进行外科手术等治疗服务。

总体而言,在智能诊断以及智能治疗领域,人工智能优于人类的地方在于如下几点。

第一,人工智能系统可以通过快速的机器学习,不断提高医疗的精确性和准确率。人类医生对疾病的诊断往往建立在长时间的学习基础上,人工智能却可以在较短时间内利用并行的算法进行快速的机器学习。机器学习的成长速度,远远超过人类医生。也就是说,如果几个月前人工智能的诊断速度还只是人类诊断速度的百分之几,几个月后它的诊断速度就有可能接近人类甚至超过人类。

第二,人类医生在诊断时往往会受到环境、情绪、精力和注意力等内外因素的干扰,人工智能则不会受到环境、情绪、精力和注意力等因素的干扰。特别是在做手术的过程中,人工智能和机器人的优势会更为明显,可以更好地提升手术的质量。因此,无论是医生控制的机器人还是自主机器人,研发的基本动力都来自人类提高医疗精准性的内在诉求。


[责任编辑:陆熹]